汽車供應(yīng)商Boge Elastmetall采用局部增強(qiáng)纖維復(fù)合材料制造與安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)部件。以制動(dòng)踏板的為示例，Boge Elastmetall介紹了開發(fā)和制造過程。合作伙伴包括塞拉尼斯公司（材料供應(yīng)商），Cevotec公司（負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），M.A.i公司（負(fù)責(zé)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)）。
系列組件中的UD帶
混合設(shè)計(jì)將具有不同特性的材料組合在一個(gè)組件中，并可以降低部件的重量的同時(shí)也使得成本得以有效控制。根據(jù)在組件部件級別的正確位置使用正確材料的原則，這可以將組件性能要求細(xì)化到局部。因此，纖維增強(qiáng)塑料越來越多地取代金屬構(gòu)件的區(qū)域，車輛結(jié)構(gòu)部件中塑料的比例正在增加。對于汽車制造商而言，具有短且連續(xù)的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的經(jīng)濟(jì)輕量化設(shè)計(jì)是非常有前景的應(yīng)用。
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性材料由纖維和基質(zhì)組成。纖維特有的材料特性提供了高輕量化設(shè)計(jì)潛力，如圖1所示，而熱塑性基質(zhì)加工時(shí)間短，因此可以實(shí)現(xiàn)大批量。有機(jī)薄片和帶之間有所區(qū)別：如果纖維主要沿一個(gè)方向排列并以薄層形式提供，則它們被稱為單向帶（UD帶）。然而，如果纖維結(jié)構(gòu)是多維的，例如通過經(jīng)線和緯線或通過將不同的纖維取向彼此縫合，則這些是所謂的有機(jī)片。
為了表示有機(jī)片中的不同纖維取向，使用紡織技術(shù)。例如，纖維在不同方向上編織或鋪設(shè)，并在用熱塑性塑料浸漬之前縫合。相比之下，UD帶直接由纖維粗紗制成。粗紗可以從線軸上展開并直接通過熱塑性熔體拉制。這種縮短的工藝流程使得半成品成本得到有效控制，使得半成品UD帶具有吸引力。
隨著件數(shù)的增加，零件成本接近材料成本并減少加工費(fèi)用的比例。因此，只要保證了帶材層壓材料生產(chǎn)中的質(zhì)量通過量,使用有機(jī)片材或帶材的決定因素取決于體積方案。但對于大批量生產(chǎn)而言，UD帶僅在經(jīng)濟(jì)上是可行的，因?yàn)檫€沒有用于快速堆疊UD帶的設(shè)施或裝置，使其可以批量生產(chǎn)。
當(dāng)在系列產(chǎn)品中使用UD帶時(shí)，這就會(huì)帶來嚴(yán)重的問題。應(yīng)對這種挑戰(zhàn)并生產(chǎn)基于UD帶的系列組件是Boge Elastmetall牽頭下的合作伙伴在材料、產(chǎn)品、制造工藝和相關(guān)系統(tǒng)工程開發(fā)中的主要任務(wù)。該開發(fā)是使用制動(dòng)踏板的例子實(shí)現(xiàn)的，圖3。
纖維氈復(fù)合材料的制造工藝途徑
有機(jī)板的壁厚是根據(jù)殼體最大載荷的現(xiàn)有技術(shù)水平設(shè)計(jì)的。在周邊地區(qū)，外殼尺寸過大。如果纖維復(fù)合材料含量可以適應(yīng)殼體的局部要求，例如通過纖維的局部取向，局部纖維體積含量或局部壁厚，則會(huì)更好。按照這種方法，有機(jī)板的尺寸過小，使得它承受大面積的應(yīng)力，并通過應(yīng)用載荷路徑定向帶局部加固，如圖4所示。
這導(dǎo)致有機(jī)板和用于殼的UD帶的混合構(gòu)造，其中有機(jī)板對應(yīng)于殼體積的主要部分（質(zhì)量流速）和局部的，多向（MD）應(yīng)用的纖維帶加強(qiáng)殼體。它們在本地面向負(fù)載路徑。該方法提高了纖維效率，降低了壁厚，從而降低了部件重量以及懸垂和再固結(jié)期間的循環(huán)時(shí)間。
制造過程分為兩個(gè)階段：第一，由有機(jī)板和纖維帶制成的定制坯料，即所謂的定制性能空白。有機(jī)板坯作為穩(wěn)定的基座，UD帶的條帶根據(jù)負(fù)載路徑自動(dòng)連接到該基座。隨后，這種定制的坯料也被自動(dòng)加熱，覆蓋，固結(jié)并用注塑料注塑成型。
預(yù)處理工藝
在該技術(shù)可以應(yīng)用于批量生產(chǎn)之前，除了開發(fā)自動(dòng)化技術(shù)之外還有許多其他問題需要回答，可以分為不同的開發(fā)級別，如圖5所示。
當(dāng)有機(jī)片材和UD帶以聯(lián)合方法加工時(shí)，必須使UD帶在所有操作條件下（例如溫度和濕度）承受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。且UD帶不能分層或撕裂。為此，必須確保表面與表面的粘合劑粘合。這需要適當(dāng)高的基質(zhì)壓力和高于熔點(diǎn)的溫度。
半成品的所有公差范圍內(nèi)保持高基質(zhì)壓力和工藝參數(shù)，以便在覆蓋工具中合并所有層而無需中間步驟。因此，僅粘貼的UD帶和有機(jī)片一起加熱。
基于仿真的設(shè)計(jì)
如果UD帶現(xiàn)在可以在單一的一個(gè)工藝步驟中安全地應(yīng)用于有機(jī)板，那么需要解決的問題就是以何種長度安置在組件中的什么位置，如圖6所示。
Cevotec通過計(jì)算機(jī)輔助模擬回答了這個(gè)問題。為此，需要材料屬性和參數(shù)：特別是，在實(shí)際應(yīng)用條件（如濕度和溫度）下確定材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。此外，樣品取自注塑料，并在有機(jī)板和有機(jī)板的組合中用UD帶進(jìn)行測試，并與模擬結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證模型。
另一個(gè)先決條件是連續(xù)纖維殼的單層模擬和優(yōu)化注塑料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力。在開發(fā)周期開始時(shí)，建立沒有UD帶的第一模型，并且基于經(jīng)驗(yàn)值使有機(jī)板的壁厚度變小。有機(jī)板的纖維取向通過運(yùn)動(dòng)垂直模擬來優(yōu)化;肋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)借助拓?fù)鋬?yōu)化。施加在該坯料上的載荷提供有機(jī)板內(nèi)的應(yīng)力水平和分布。連續(xù)纖維殼的過載區(qū)域可以沿著主要的主應(yīng)力方向連續(xù)地鋪設(shè)或堆疊帶。組裝的UD帶會(huì)改變連續(xù)的纖維外殼，從而影響外殼的剛度。這導(dǎo)致對拓?fù)鋬?yōu)化的反饋，并因此導(dǎo)致對肋結(jié)構(gòu)的反饋。如果在UD帶，有機(jī)板和注塑料的組合中滿足經(jīng)濟(jì)和機(jī)械要求，則完成開發(fā)的模擬部分中的迭代。殼模型的開發(fā)近似于有機(jī)板的輪廓以及UD帶的數(shù)量，位置和方向。
自動(dòng)化生產(chǎn)
根據(jù)工藝要求，合作伙伴MAi的設(shè)備包括兩個(gè)工廠：鋪帶（堆疊）制造單元，其中UD帶被切割成尺寸，鋪設(shè)或堆疊在有機(jī)板上并固定，以及制造單元用于處理定制的性能。
在第一個(gè)制造單元中，將用于定制性能坯料的膠帶和有機(jī)板組合在一起，放置了兩個(gè)半成品，圖6。有機(jī)板作為成型坯料的堆疊送入;UD帶增強(qiáng)件以卷的形式制造。兩個(gè)半成品都連接在一起，并創(chuàng)建了一個(gè)半成品，如圖5所示。
根據(jù)組件設(shè)計(jì)，UD膠帶被切割成一定尺寸并由相機(jī)系統(tǒng)在線測量，用于在機(jī)器人拾取膠帶之前獲得夾具手的基本幾何參數(shù)，例如長度，寬度和位置。同時(shí)，第二個(gè)相機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控有機(jī)板的輪廓和位置。磁帶和有機(jī)板坯的幾何數(shù)據(jù)是已知的，系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)磁帶的放置位置。然后，放置在這些位置的UD帶在幾個(gè)點(diǎn)通過激光進(jìn)行定位焊接。通過激光，磁帶定位或與磁帶長度相關(guān)的位置進(jìn)行的焊接和用于圖像處理的系統(tǒng)都是可自由編程的，這使得該系統(tǒng)概念靈活且安全地處理。每個(gè)膠帶的定位焊點(diǎn)數(shù)，它們的位置和每個(gè)單獨(dú)的定位點(diǎn)都可以自由編程。
在第二步中，將定制的坯料加熱至高于基質(zhì)的熔點(diǎn)，成形，覆蓋并重新固結(jié)。這在UD帶和有機(jī)板之間形成材料結(jié)合，并且與模具焊接工藝相當(dāng)。將形成的部件冷卻至低于熔點(diǎn)的溫度并插入空腔中進(jìn)行包覆成型。同時(shí)，殼在表面區(qū)域達(dá)到足夠的溫度，以在與注塑料接觸時(shí)產(chǎn)生永久性粘合。在注射成型工藝之后，可以去除成品部件。完成冷卻，組裝，包裝和交付。
總結(jié)
隨著產(chǎn)量的增加，部件成本漸近地接近材料成本，而部件成本是決定制造成的主要因素。因此，決定是否應(yīng)用有機(jī)薄片或UD帶取決于單價(jià)方案。Boge Elastmetall與合作伙伴Celanese，Cevotec和M.A.i合作，成功制造了用于批量生產(chǎn)的安全部件的UD帶增強(qiáng)件，以滿足汽車行業(yè)的要求。結(jié)構(gòu)仿真采用單層仿真方法結(jié)合運(yùn)動(dòng)垂直仿真和拓?fù)鋬?yōu)化后塑料包覆成型的附加建模。批量生產(chǎn)基于兩階段工藝，具有扁平帶堆疊裝置和隨后的覆蓋，分別在一個(gè)工藝步驟中重新固結(jié)而無需中間固結(jié)。在隨后的工藝步驟中，可以使用Boge Elastmetall開發(fā)的組合工藝作為使用注塑料進(jìn)行全自動(dòng)成型，再固結(jié)和包覆成型的基礎(chǔ)。
作者：Daniel H?FFelin，Neven Majic，Sascha Bockelkamp.etal.
